充气结构展开模型及其动力学特性研究

【摘要】：充气结构可柔性折叠发射,并可在轨充气展开为大型空间结构,其展开动力学特性对其在轨展开过程中的平稳性、可靠性乃至成败,以及对航天器本体的扰动,都具有决定性影响。充气结构展开动力学特性分析,是优化充气结构设计及展开方案设计的前提和基础。目前,充气结构展开动力学特性分析主要采用薄膜单元模型,但对于壁厚较厚、具有一定弯曲刚度的充气结构,薄膜单元模型的分析结果与实际相差较大。针对这一问题,本文提出并建立了一种考虑弯曲刚度的充气结构薄壳单元模型,结合控制体积法,建立了充气结构展开有限元模型。以典型充气结构——充气管为研究对象,研制了充气管结构样件,进行了充气管Z型折叠展开动力学特性实验研究,研究了壁厚、管径和材料属性等因素对充气结构展开动力学特性的影响。为验证本文提出的充气结构薄壳单元模型,本文选择充气结构展开动力学特性曲线为主要表征依据,将薄壳单元模型的分析结果与实验结果及薄膜单元模型分析结果进行对比分析,结果表明:在结构壁厚较薄时,薄壳单元模型与薄膜单元模型分析结果较为接近,并与实验结果相符,这说明较小弯曲刚度的薄壁充气结构可近似为薄膜结构,可采用薄膜单元模型进行分析而不会产生大的误差,同时,也证明了薄壳单元模型的正确性,且薄壳单元模型可退化为薄膜单元模型;随着充气结构壁厚增加,薄膜单元模型分析结果与实验结果的差异越来越大,而薄壳单元模型的分析结果与实验结果则始终保持良好的一致性,这是由于充气结构壁厚增加导致管壁弯曲刚度也随之增大,相较于薄膜单元模型,薄壳单元模型能够更好地反应弯曲刚度对充气结构展开动力学特性的影响,由此验证了本文所建立的薄壳单元模型的正确性和有效性。最后,利用所建立的薄壳单元模型,分析了充气结构展开过程中全局与局部的速度、加速度、位移场、应变场、应力场等动力学特性,研究了材料属性、壁厚参数对充气结构展开动力学特性的影响规律。